bacteria‐based self‐healing concrete: evaluation of full

7
RILEM Technical Letters (2019) 4: 138144 DOI: http://dx.doi.org/10.21809/rilemtechlett.2019.93 * Corresponding author: Henk M. Jonkers, Email: [email protected] Bacteriabased selfhealing concrete: evaluation of full scale demonstrator projects Renée M. Mors a,b , Henk M. Jonkers a * a Delft University of Technology, Faculty of Civil Engineering & Geosciences, Department of Materials, Mechanics, Management & Design (3MD), Section of Materials and Environment, Stevinweg 1, 2628 CN Delft, The Netherlands b Green Basilisk, YES!Labs, Molengraaffsingel 10, 2629 JD Delft, The Netherlands Received: 20 May 2019 / Accepted: 27 March 2020 / Published online: 08 April 2020 © The Author(s) 2020. This article is published with open access and licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License. Abstract Bacteriabased selfhealing concrete is an innovative concrete that contains a selfhealing agent that provides the material with enhanced autonomous cracksealing performance. A specific type of this concrete, based on a healing agent composed of bacterial spores and lactate as carbon source, has been developed and applied by the Delft University of Technology for over ten years. Under laboratory conditions it was proven that, depending on the dosage of healing agent, selfhealing of cracks up to 0.8 mm widths occurs. As such the material potentially allows reduction of steel reinforcement used for crack width limitation in watertight constructions. Application of selfhealing concrete would therefore not only result in a reduction of costs but also in improvement of environmental performance (lower CO2 footprint) and ease of in situ casting due to reduction of use of steel in waterproof applications. However, according to the EN 1990 Eurocode (Basis of structural design), customary application of a novel type of concrete must be preceded by full scale demonstrators proving evidence for safe and functional performance. In this contribution we portray full scale application of bacteriabased selfhealing agent as developed by the Delft research group in two repair mortarand in two concrete construction demonstrator projects. These demonstrator projects show that addition of the bacteriabased selfhealing agent to the concrete mix is safe as no negative side effects on construction performance was observed. However, it also proved difficult to find evidence for increased crackhealing performance as cracking in the demonstrator constructions hardly occurred. In further full scale demonstrators we therefore plan to drastically reduce amount of crack widthrestraining reinforcement to show crackhealing capacity and potential to save on use of reinforcement steel in watertight concrete constructions. Keywords: Selfhealing; Concrete; Bacteria; Standardization; Eurocode Introduction Cracking in concrete is an accepted phenomenon and does not have to lead to problems if it remains 'within limits'. These limits are laid down in codes describing what are acceptable crack widths for concrete structures in specific environments. E.g. Eurocode EN 199211 Design of concrete structures' recommends maximum crack widths of 0.4 mm for concrete structures exposed to environments classified as X0 (no risk of corrosion or attack) and XC1 (risk of corrosion induced by carbonation for dry or permanently wet constructions) and 0.2 mm for more aggressive environments (XC24: corrosion induced by carbonation; XD13: corrosion induced by chlorides and XS13: corrosion induced by chlorides from seawater) [1]. Depending on the concrete mix composition and the amount of reinforcement applied, the construction can be designed in such a way that crack formation can remain limited. Nevertheless, we see in practice that crack formation can lead to unforeseen leakage problems or premature corrosion of the reinforcement resulting in the need for intervention. This often leads to unforeseen and high repair costs during or after finalization of the construction. The difference between anticipated (theoretical) crack formation and practical occurrence is caused by a number of factors which are often beyond the control of the designer. A strategy, in addition to the currently widely applied options such as inclusion of waterproof membranes, application of more crackwidthrestricting reinforcement or manual injection repair of cracks afterwards, is to 'manage' the risk of unforeseen crack occurrence by applying a concrete with a high cracksealing capacity: selfhealing concrete [2]. In this paper the application and performance of a specific bacteriabased healing agent developed by the Delft University of Technology research group in full scale demonstrator projects targeting both prefabricated and insitu cast constructions and a specifically developed repair mortar is evaluated.

Upload: others

Post on 15-May-2022

2 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Bacteria‐based self‐healing concrete: evaluation of full

 RILEM Technical Letters (2019) 4: 138‐144 DOI: http://dx.doi.org/10.21809/rilemtechlett.2019.93 

*  Corresponding author: Henk M. Jonkers, Email: [email protected]   

 

Bacteria‐based  self‐healing  concrete:  evaluation  of  full  scale 

demonstrator projects 

Renée M. Morsa,b, Henk M. Jonkers a*   

a   Delft University of Technology, Faculty of Civil Engineering & Geosciences, Department of Materials, Mechanics, Management & Design (3MD), Section of Materials and Environment, Stevinweg 1, 2628 CN Delft, The Netherlands 

b   Green Basilisk, YES!Labs, Molengraaffsingel 10, 2629 JD Delft, The Netherlands   

Received: 20 May 2019 / Accepted: 27 March 2020 / Published online: 08 April 2020 © The Author(s) 2020. This article is published with open access and licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.  

Abstract 

Bacteria‐based self‐healing concrete is an innovative concrete that contains a self‐healing agent that provides the material with enhanced autonomous crack‐sealing performance. A specific type of this concrete, based on a healing agent composed of bacterial spores and lactate as carbon source, has been developed and applied by the Delft University of Technology for over ten years. Under laboratory conditions it was proven that, depending on the dosage of healing agent, self‐healing of cracks up to 0.8 mm widths occurs. As such the material potentially allows reduction of steel reinforcement used for crack width  limitation  in watertight constructions. Application of  self‐healing concrete would  therefore not only  result  in a  reduction of costs but also  in improvement of environmental performance (lower CO2 footprint) and ease of in situ casting due to reduction of use of steel in waterproof applications. However, according to the EN 1990 Eurocode (Basis of structural design), customary application of a novel type of concrete must be preceded by full scale demonstrators proving evidence for safe and functional performance. In this contribution we portray full scale application of bacteria‐based self‐healing agent as developed by the Delft research group  in two repair mortar‐ and  in two concrete construction demonstrator projects. These demonstrator projects show that addition of the bacteria‐based self‐healing agent to the concrete mix is safe as no negative side effects on construction performance was observed. However, it also proved difficult to find evidence for increased crack‐healing performance as cracking in the demonstrator constructions hardly occurred. In further full scale demonstrators we therefore plan to drastically reduce amount of crack width‐restraining reinforcement to show crack‐healing capacity and potential to save on use of reinforcement steel in watertight concrete constructions. 

Keywords: Self‐healing; Concrete; Bacteria; Standardization; Eurocode 

Introduction 

Cracking  in concrete  is an accepted phenomenon and does not have to lead to problems if it remains 'within limits'. These limits are laid down in codes describing what are acceptable crack widths for concrete structures in specific environments. E.g.  Eurocode  EN  1992‐1‐1  Design  of  concrete  structures' recommends maximum crack widths of 0.4 mm for concrete structures exposed to environments classified as X0 (no risk of corrosion or attack) and XC1 (risk of corrosion induced by carbonation  for dry or permanently wet constructions) and 0.2 mm for more aggressive environments (XC2‐4: corrosion induced  by  carbonation;  XD1‐3:  corrosion  induced  by chlorides  and  XS1‐3:  corrosion  induced  by  chlorides  from seawater)  [1]. Depending on  the concrete mix composition and the amount of reinforcement applied, the construction can  be  designed  in  such  a way  that  crack  formation  can remain  limited. Nevertheless, we see  in practice  that crack formation  can  lead  to  unforeseen  leakage  problems  or 

premature  corrosion  of  the  reinforcement  resulting  in  the need for intervention. This often leads to unforeseen and high repair costs during or after  finalization of  the construction. The  difference  between  anticipated  (theoretical)  crack formation and practical occurrence is caused by a number of factors which are often beyond the control of the designer. A strategy,  in addition to the currently widely applied options such as  inclusion of waterproof membranes, application of more  crack‐width‐restricting  reinforcement  or  manual injection repair of cracks afterwards, is to 'manage' the risk of unforeseen crack occurrence by applying a concrete with a high crack‐sealing capacity: self‐healing concrete  [2].  In this paper the application and performance of a specific bacteria‐based  healing  agent  developed  by  the  Delft  University  of Technology research group in full scale demonstrator projects targeting  both  prefabricated  and  in‐situ  cast  constructions and a specifically developed repair mortar is evaluated.     

Page 2: Bacteria‐based self‐healing concrete: evaluation of full

R.M. Mors, H.M. Jonkers, RILEM Technical Letters (2019) 4: 138‐144  139 

Autogenous healing of concrete 

Every  type  of  concrete  comprises  a  certain  crack‐sealing capacity. Documented research has shown that the capacity of  this  so‐called  'autogenous'  crack‐healing  relates particularly to the Portland clinker content and the particle size of the cement. The higher the dosage and the coarser the cement, the higher the autogenous crack‐sealing capacity of the concrete [3‐5]. However, high clinker content and course particle size of cement oppose technical developments of the last  decades  typically  favouring  a  low  clinker  content  for   lowering the CO2 footprint    and high Blaine values of cement for obtaining rapid strength development. However, such low clinker cements, usually high in slag and / or fly ash content, typically show a decreased autogenous crack‐healing capacity [6].  It  can  therefore  be  questioned    whether  low  clinker blended  cement  systems  still  show  sufficient  autogenous crack‐healing  potential  to  ensure  water  tightness  as  is assumed for traditional CEMI‐dominated binder systems [3]. However, returning to high clinker cements appears from an environmental viewpoint undesirable but on the other hand (relatively)  low  clinker  containing  concretes  should  also comprise  a  sufficient  degree  of  crack‐healing  capacity  to ensure  water  tightness  of  water  exposed  constructions. Challenge  therefore  is  to  achieve  additional  autonomous crack repair capacity while simultaneously decreasing the CO2 impact of the concrete. 

Autonomous  crack  repair  by  limestone‐forming bacteria 

Of the large number of bacterial species that occur in nature, there  are  only  a  limited  number  that  survive  'casting'  in concrete. These specific bacteria are not only adapted to the high  alkaline  conditions  of  concrete  but  also  form  spores. These spores are resistant to most forms of stress such as high pressure,  aggressive  chemicals,  high  temperatures  and dehydration  [2,  13].  The  spores  germinate  when  suitable nutrients  and  water  become  available  transforming  them from metabolically  inactive  to  active  (vegetative)  bacteria. The active bacteria can produce limestone as a metabolic by‐product,  specifically  in  alkaline  and  calcium  ion‐rich environments  such  as  occurring  in  the  concrete matrix (Fig. 1). 

 

 

 

 

 

 

     Figure  1.  Environmental  Scanning  Electron  Microscopic  image  of bacterial limestone (evidenced by bacterial imprints; left image) and light microscopic image of active (vegetative) alkali‐resistant bacteria of the genus Bacillus (right image). Courtesy Arjan Thijssen, TU Delft. 

Limestone, or  calcium  carbonate,  is a  concrete  compatible material that is perfectly suitable for sealing (waterproofing) of  cracks  in  concrete.  Several  research  groups  worldwide have  developed  bacteria‐based  healing  agents  to  enhance the  self‐healing  capacity  of  cement  pasts,  mortars  and concrete  [7‐12]. Pioneering  and  lab‐based  research  by  the Delft research group    has shown that lactate‐based organic compounds  like  calcium  lactate  and  lactide‐polymers)  are suitable  carbon  sources  for  the  bacteria  and  that  these compounds  are  furthermore  concrete  compatible  in  the sense that they as additive, within  limits, do not negatively affect  strength  development  of  concrete  [7,  8  13,14]. Moreover, lactate is allowed as concrete additive according to the European norm on admixtures [15]. Published lab‐based studies have shown that, depending on the dosage of bacteria and lactate‐based nutrients, cracks of up to 0.8 mm width can be  sealed autonomously  [14, 16]. Healing of 0.8 mm wide cracks  requires  a  dosage  of  15  kg  of  B.  alkalinitrilicus‐comprising self‐healing agent per m3 of concrete mix , while a dosage of 5 kg/m3 leads to the autonomous waterproofing of 0.4 mm wide cracks (Figure 2) [17]. The composition of the healing agent used was 0.1%  (w/w) dried B. alkalinitrilicus spores  and  2%  Yeast  (w/w)  extract  both  embedded  in  a lactate‐based polymer matrix (97,7% w/w), latter functioning both  as  nutrient  source  and  protective  coating  for  the bacterial  spores  [21]  and  is  commercially  produced  and marketed by Green‐Basilisk B.V., The Netherlands.   

 Figure 2. Self‐healing of an 0.8‐mm wide crack in concrete at a dosage of 15 kg of self‐healing agent per m3 takes up to two months [17]. 

Development  of  bacteria‐based  self‐healing agent   

The functional components of the bacteria‐based self‐healing agent as developed by  the Delft  research group  consist of bacterial spores and nutrients. The bacterial spores resist and survive  incorporation  in  concrete  while  the  nutrients  are required for spore germination (conversion of metabolically inactive spores into active vegetative cells) and as precursor material  for  the  limestone  to  be  produced  [13].  In  initial studies  the  nutrients  consisted  of  yeast  extract  for germination  of  spores  and  calcium  lactate  as  limestone precursor  compound  and  these  two  components  were together with  bacterial  spores  loaded  into  expanded  clay‐based porous aggregates (Fig. 3) [16]. Latter aggregates thus served  as  carrier  material  for  the  active  healing  agent components. Advantage of use of a porous carrier  is that  it 

Page 3: Bacteria‐based self‐healing concrete: evaluation of full

R.M. Mors, H.M. Jonkers, RILEM Technical Letters (2019) 4: 138‐144  140 

forms, in comparison to regular aggregates, weak spots in the concrete matrix which attract forming cracks. The cracks that hit and split porous aggregate particles thus ensure effective release of embedded active healing agent compounds  into the  crack    [18, 19]. Disadvantage of use of porous  carrier aggregates  is  that  they  significantly  lower  the  compressive strength  of  the  concrete  [16,  20].  A  next  generation  self‐healing agent was therefore developed by the Delft group and in  this one  the active healing agent  components  (bacterial spores, yeast extract and  lactate‐derivatives) were pelleted using  combined  powder  compression‐  and  extrusion techniques which made  the  use  of  expanded  clay  carriers redundant  [14].  Major  advantage  of  the  new  generation healing  agent  is  that  it  consists  of  100%  bio‐based  active ingredients not resulting in decrease of compressive strength of the resulting concrete if dosed correctly [21]. Activator of the  healing  agent  is  crack‐ingress  water  what  initiates germination of the bacterial spores. Metabolically active cells subsequently  convert  the  lactate‐derivatives  into  calcium carbonate‐based insoluble minerals which, when sufficiently formed, block and waterproof cracks. Application fields of the bacteria‐based  healing  agent  are  therefore  limited  to concretes exposed to moist conditions as water is required for the  activation  of  the  system  as  was  established  in documented studies [16, 17. 21‐23]. Activation (germination) of the applied alkaliphilic bacterial spores occurs in pH range from  8  to  11.5  [2]. As  the  pH  of  the  concrete mix  during preparation and casting is well above 11.5, activation of the spores does not occur at this stage but only when pH drops below 11.5 due to external water that ingress cracks [24]. 

 

 Figure  3.  First  generation  expanded  clay  based  healing  agent  (top image)  and next  generation  lactate‐derivative based  healing  agent (bottom image). 

Application  potential  bacteria‐based  self‐healing agent 

Self‐healing repair mortar 

First  full scale application of the bacteria‐based self‐healing agent as developed by the Delft research group was in form of  a  self‐healing  repair mortar  (see  paragraph  6.1  below).   This healing agent‐ and PVA fibre‐based mortar, developed by Sierra‐Beltran  et  al.,  is  characterized  by  a  low modulus  of elasticity and additional strain‐hardening behaviour [25, 26]. This latter property results during deformation in appearance of  repetitive  small  sized  cracks  (<0.1  mm  wide)  allowing substantial  deformation  without  instant  brittle  material failure. The strain hardening behaviour is due to the presence (1‐2% by volume) of small (8mm long and 0.04mm diameter) but  strong  polyvinyl  alcohol  (PVA)  fibres  which  tensile strength is order of magnitude higher than that of the mortar matrix.  The  tensile  deformation  capacity  of  this  PLA  fibre‐based mortar is 3 to 5% which is substantially higher than the typical 0.3%  for  traditional non‐fibre based  repair mortars. Applying PVA fibres  in combination with the bacteria‐based self‐healing  agent  ensures  quick  autonomous  healing  of cracks formed under tensile‐ or flexural loading and high bond strength  between  repair mortar  and  underlying  concrete. Typical  composition of  the  strain‐hardening bacteria‐based self‐healing repair mortar per m3 is: 449kg CEMI 42,5N; 538 kg  Fly  ash;  260  kg  limestone  powder;  120  kg  0‐2  mm   aggregate;  10  kg  next  generation  bacteria‐based  healing agent; 390 kg water; 20 kg superplasticizer (Cugla Cretoplast SL01) and 22 kg PVA fibres (Kuraray, Japan) [25].   

Self‐healing concrete   Constructions  in wet  environments  can  specifically  benefit from self‐healing of cracks [27, 28]. Watertight constructions are  commonly designed  in  such  a way  that only  cracks of smaller than 0.1 mm width are allowed to occur as these are expected to self‐heal due to autogenous healing capacity of the concrete [3]. Such designs, however, require a lot of crack width  restraining  reinforcement  in  addition  to  structural reinforcement steel. Disadvantage of applying abundant steel is  nevertheless  threefold:  expensive,  featuring  high  CO2 footprint, and finely meshed network hampers easy casting of the  concrete  mix  (Fig.  4).  Instead,  designing  watertight constructions  for  marine‐  and  freshwater  applications, allowing crack widths of >0.1 up to 0.4 mm would save crack restraining steel. This will result not only  in more economic structures  but  additionally  also  to  lower  CO2  footprint structures with increased ease of placement    of the concrete mix.    Latter will allow to work faster and will also lower the risk of forming gravel nests and hollow spaces in the structure. Water  tightness  of  these  structures  will  be  delivered  by autonomous crack‐sealing of mixtures requiring a dosage of 5 to 8 kg/m3 healing agent.     

Page 4: Bacteria‐based self‐healing concrete: evaluation of full

R.M. Mors, H.M. Jonkers, RILEM Technical Letters (2019) 4: 138‐144  141 

 Figure  4.  Picture  of  a  finely  meshed  reinforcement  network  for watertight concrete constructions impeding easy casting of concrete. 

Full scale demonstrator projects  Self‐healing repair mortar 

The  developed  bacteria‐based  self‐healing  repair  mortar developed by the Delft research group was applied in two full scale projects in order to demonstrate practical applicability and  functional  performance.  Projects  were  selected  to demonstrate  structural  repair  applicability  and  delivery  of water  tightness  of  cracked  concrete  basement  walls respectively.  In  the  first  project  the  concrete  cover  of damaged steel reinforced concrete columns were replaced. Therefore, on site at the chemical plant ‘Chemelot’, located in Limburg, The Netherlands, the damaged cover zone up to 4 cm depth behind  the embedded  rebars was  removed and replaced  with  bacteria‐based  self‐healing  repair  mortar (Fig. 5). The repair mortar was classified as structural repair mortar R3, suitable  for structural  repair of concrete with a required compressive strength of up to 45 MPa. 

The  second project  involved  repair of  cracked and actively leaking  parking  garage  basement  walls  located  20  meter below  ground  level  of  the  ‘Groningen  Forum’  building, located in Groningen, The Netherlands. Before application of the bacteria‐based self‐healing repair mortar, present actively water‐leaking  cracks were cut open  to a depth of 5  cm  to provide sufficient bond surface for the to be applied repair mortar.  Water  flow  was  temporarily  stopped  through application  of  a  5‐mm  thick  layer  of  fast  setting  cement, immediately  followed  by manual  application  of  the  repair mortar by filling up the crack cavities to level concrete surface (Fig. 6). 

6.1.1 In  situ  monitoring  techniques  for  self‐healing repair mortar 

In  situ  constructions  should  preferably  be  tested  for functional performance in a non‐destructive way in order not to  decrease  structural‐  and    aesthetic  performance  [29]. Therefore  three  non‐destructive  techniques were  used  for determining  functional performance of applied  self‐healing repair mortar  in  the  two  demonstrator  projects  described above in section 6.1. 

 

 

 Figure  5.  On  site  structural  repair  of  damaged  steel  reinforced concrete column with bacteria‐based self‐healing repair mortar.  

 Figure 6. Manual repair of actively leaking cracked concrete basement walls using bacteria‐based self‐healing repair mortar. 

The  two  qualitative  techniques  applied  comprised  visual determination of water tightness of repaired and previously leaky  spots,  and  hammer‐knocking  testing  for  acoustic establishment of proper bonding of the applied repair mortar to  the  underlying  concrete. Quantitative  determination  of mortar porosity was done by application of the Karsten‐Tube water  absorption  test  (TQCSHEEN,  Netherlands)  on  dry mortar  surface  areas.  Latter  test  involves  quantitative establishment of water uptake over time of a selected surface area [30]. The three non‐destructive testing techniques were employed for comparison both on the applied repair mortar 

Page 5: Bacteria‐based self‐healing concrete: evaluation of full

R.M. Mors, H.M. Jonkers, RILEM Technical Letters (2019) 4: 138‐144  142 

patches and the  immediately surrounding original concrete surface areas. Bi‐yearly monitoring during  two  subsequent years of both demonstrator projects  showed  that  repaired patches remained watertight, showed sound bonding to the underlying  concrete,  and  revealed no decrease  in porosity over time and difference  in comparison to the surrounding original and sound concrete. 

Self‐healing concrete 

By  the  Delft  research  group  two  full  scale  demonstrator projects  with  bacteria‐based  self‐healing  concrete  were executed.  The  first  one  concerned  construction  of  a wastewater purification tank consisting of precast concrete elements. This project was carried out  in collaboration with the Water Boards authority Limburg (WBL), the Netherlands. The WBL's  question  was  whether  the  application  of  self‐healing  concrete  could  lead  to  a  reduction  in  cost‐of‐ownership, i.e. costs that are incurred over the entire life cycle of a construction. In particular, maintenance and repair costs of  traditional concrete structures are high  (typically 50% of WBL budget  is spent on maintenance of current assets and 50%  on  building  new  constructions)  and  the  use  of  self‐healing concrete can potentially result in costs saving due to reduced need for repair in combination with an increased life time of the construction. Therefore it was decided to carry out a  demonstrator  project  in  the  form  of  a  wastewater treatment tank. The tank, consisting of prefab elements with dimensions  of  7.00  x  2.50  x  0.15m  produced by  company BestCon, Best, The Netherlands, was installed in March 2016 at a  test  site  in Simpelveld, The Netherlands, and put  into operation in August 2016 (see Fig. 7, tank under construction and  tank  in operation). Three out of  the 15 applied prefab elements were cast with a dosage of 10 kg healing agent per m3  concrete mix  while  the  other  12  served  as  reference elements. To date (September 2019), after being more than 3 years  in  operation  no  sign  of  cracking  or  other  forms  of degradation  or  damage  in  both  self‐healing  and  reference type  of  elements  has  been  observed.  Therefore,  although already  fully  functional  for  a  3‐years  period,  as  yet  no conclusion can be drawn on possible benefits of using self‐healing concrete in for this specific application. At best it can be concluded that so  far no negative effects of the healing agent additive have been observed. Ongoing monitoring of element  performance  in  the  coming  years  will  show  if   application  of  self‐healing  technology  for  this  type  of application will  proof  to  be  cost  effective with  respect  to maintenance requirements and service life performance. 

The  second  full  scale  self‐healing  concrete  demonstrator project  involved an  in  situ  cast  rectangular  concrete water reservoir. The  tank,  located  in Hoogvliet, The Netherlands, was  built  in  October  2017  by  contractor  BAM  and commissioned by  the Port of Rotterdam harbour authority and  serves  as  fire  extinguishing  water  reservoir.    The reservoir is a rectangular concrete tank of 47 meters long, 5 meters  high  and  5.5  meters  wide  (Fig.  8).  To  enable determination  of  functional  performance  of  self‐healing concrete  in comparison to traditional concrete, only half of the tank’s concrete was amended with self‐healing agent at a dosage of 5 kg/m3. Therefore two walls of the tank (South and 

East facing) were made of self‐healing concrete and the other two (North and West facing) of traditional concrete (same mix design without  self‐healing  agent).  The  amount  of  applied steel reinforcement was equal  in self‐healing and reference concrete and was in accordance with design criteria to allow only occurrence of cracks with a maximum width of 0.1 mm. Because of  strict water  tightness constraints demanded by the owner, self‐healing technology was used in this case as an additional precautionary measure to ensure water tightness of  particularly  the  South  facing wall  (experiencing  highest temperature fluctuations over time). The tank was filled with water in the summer of the year 2018, and during filling only minor non‐leaking hairline cracks were observed in the North facing wall (not containing healing agent) but not in the other walls. To date, after being more than one year in full service, no actively leaking cracks have been observed in all walls. As such this demonstrator project has as yet not been successful as  the aim was  to  compare  crack‐sealing efficiency of  self‐healing‐  versus  traditional  concrete  walls.  Like  the  first prefabricated  wastewater  treatment  tank  demonstrator project,  also  this  in  situ  cast  concrete  reservoir  will  be monitored in the coming years to establish long‐term water tightness and service life performance. 

 

 Figure  7.  Prefabricated  wastewater  treatment  tank  under construction  (top  image)  and  in  service  (bottom  image).  Prefab elements bearing the triangular logo contain self‐healing agent while the other, reference elements, do not. 

Page 6: Bacteria‐based self‐healing concrete: evaluation of full

R.M. Mors, H.M. Jonkers, RILEM Technical Letters (2019) 4: 138‐144  143 

 Figure  8.  Full  scale demonstrator  In  situ  cast  self‐healing  concrete water reservoir, Hoogvliet, The Netherlands. 

6.2.1 In  situ  monitoring  techniques  for  self‐healing concrete 

Functional performance of the applied self‐healing concrete in  both  demonstrator  projects  was  monitored  during  bi‐yearly  inspections.  Visual  inspections  were  done  for establishment of crack occurrence and water permeability of the concrete cover (surface) layer was quantified by applying the  Karsten  Tube water  absorption  test  (see  section  6.1.1 above).  During  the  three  years monitoring  period  for  the prefab water treatment tank and one year period for the in situ  cast  tank  no  crack  occurrence  or  difference  in water permeability  between  self‐healing  concrete  and  reference concrete was  observed  in  either  of  the  two  demonstrator structures. Crack occurrence, however, was a prerequisite for enabling establishment of self‐healing performance. Both the prefab elements for the wastewater purification tank and the in situ cast concrete for the fire extinguishing water tank were reinforced  with  steel  rebars  in  accordance  to  current standards.  The  amount  of  crack  width  restraining  steel reinforcement and execution of both projects was apparently of  such a  sound quantity and quality  that  crack  formation resulting in water leakage did not occur.    In hindsight it can therefore  be  concluded  that  additional  autonomous  self‐healing was not required in both type of constructions. Based on  these  results  a  new  demonstrator  project  is  currently planned  in  which  the  amount  of  crack  width  restraining reinforcement  will  be  drastically  reduced,  i.e.  targeting  a maximal crack width of up to 0.4 mm instead of <0.1 mm for watertight constructions. The applied amount of self‐healing agent in this newly planned demonstrator project should not only ensure water tightness through self‐sealing behaviour of occurring  cracks but also  result  in both environmental and economic profit through reduction of steel reinforcement.     

Discussion and conclusions 

In  the  last  two  decades  many  studies  targeting  the development  of  concrete  with  enhanced  self‐healing properties appeared in literature which are mostly covered by recent review papers [7‐12, 22‐23, 28‐29]. Although several mechanisms  for  enhancing  the  autogenous  self‐healing capacity  of  concrete  have  been  investigated  under  lab conditions  only  few  have  been  up  scaled  and  applied  on demonstrator scale  in field trials. Besides the demonstrator projects executed by the Delft research group, as described in this paper, also UK‐based research groups participating in the 

Materials for Life (M4L) research program recently reported on a larger scale outdoors demonstrator project [27, 31‐32]. In  that  large‐scale  field  trial  four  different  self‐healing mechanisms were tested in concrete retaining wall panels of dimensions 1.8 x 1 x 0.15m [27]. The four self‐healing agents and  mechanisms  investigated  comprised  sodium  silicate‐loaded  microcapsules,  bacteria‐loaded  porous  aggregates, shape memory polymers and mineral healing agent delivering vascular  flow  networks  [30].  Monitoring  of  self‐healing performance  of  the  via  mechanical  loading  pre‐cracked panels  comprising  the  four  incorporated  self‐healing techniques  was  done  by  following  crack  width‐  and permeability decrease  in  time. Crack width variations were monitored by ultrasonic pulse velocimetry and optically by camera  and  microscopy,  and  permeability  quantified  by quantification of  in  situ air permeability  [31].  Intermediate results  indicate  that particularly  the  sodium  silicate‐loaded microcapsule  based  panel  show  significant  crack‐width reduction and recovery of permeability [27]. Final results and conclusions  on  performance  of  also  the  other  three investigated healing techniques is still pending and currently being monitored under the M4L follow up program ‘Resilient Materials for Life (RM4L) program [27, 31].   

Cracks 'management' instead of crack prevention 

Waterproof concrete structures should not crack or occurring cracks  should  generally  be  smaller  than  0.1 mm  wide  to minimize amount of water leakage. Such designs require use of sufficient steel rebars in order to restrain occurring cracks to the required maxim width. The smaller the intended crack formation, the more crack width limiting reinforcement must be  applied.  This  strategy,  aiming  for  prevention  of  crack occurrence,  thus  requires  a  substantial  amount  of reinforcement. As a result, the placement of in situ concrete will  require  extra  attention  in  order  to  get  the  concrete mixture  evenly  distributed  through  the  fine  reinforcement meshes  of  the  reinforcement  to  avoid    risk  of  obtaining implementation‐related defects. Alternatively a waterproof membrane  system  should be  installed or  cracks  should be repaired  afterwards  by  manual  waterproofing  injection techniques. However, enhanced autonomous self‐healing of cracks  now  also  represents  an  alternative  strategy,  i.e. 'management'  of  cracks  instead  of  preventing  their occurrence.  A  watertight  construction  design  based  on implementation of additional autonomous self‐healing could therefore represent an alternative to application of abundant crack width restraining    steel reinforcement. The concept of crack management will not only  save material  and  reduce costs but also significantly lower the environmental footprint (CO2  impact)  of  steel  reinforced  concrete  structures. Moreover,  reduction of crack width  restraining steel    may also be beneficial during the construction process because a coarser  reinforcement  network  lowers    the  risk  of occurrence of execution related problems. Self‐healing of up to  0.4 mm  wide  cracks  should  also  ensure  a  waterproof construction, in line with the ‘crack management’ instead of 'crack prevention’ design concept.  In the two full scale self‐healing concrete demonstrators described above, self‐healing technology was applied as extra safety measure to guarantee 

Page 7: Bacteria‐based self‐healing concrete: evaluation of full

R.M. Mors, H.M. Jonkers, RILEM Technical Letters (2019) 4: 138‐144  144 

water tightness. While no negative effects of addition of self‐healing  agent  to  the  concrete  mix  and  application  was observed,  the  full  capacity of  the  technology  in  relation  to reinforcement reduction potential still needs to be resolved in  future  full  scale  demonstrator  projects.  These  new demonstrators will, if successful, help to launch concrete self‐healing  technology  as  a  serious  crack  management alternative to the current crack prevention design strategies. 

Acknowledgements 

Financial  support  for  this work  from Agentschap NL  (grant IOP‐SHM01018)  and  BE  Basic  (grant  F04.001)  is  gratefully acknowledged. 

References [1] Eurocode  EN  1992‐1‐1  (2004):  Eurocode  2:  Design  of  concrete 

structures ‐ Part 1‐1: General rules and rules for buildings [Authority: The European Union Per Regulation 305/2011, Directive 98/34/EC, Directive 2004/18/EC 

[2] H.M. Jonkers, Self‐healing concrete: a biological approach., In: S. van der Zwaag (Ed.), Self Healing Materials: an introduction. Springer, The Netherlands, 195‐204.   https://doi.org/10.1007/978‐1‐4020‐6250‐6_9   

[3] C. Edvardsen, Water permeability and autogenous healing of cracks in concrete ‐ ACI Materials Journal (1999) 6 (4): 448‐454. 

[4] AM. Neville, Autogenous healing ‐ A concrete miracle? Concrete Int (2002) 24 (11): 76‐82. 

[5] N. Ter Heide, E. Schlangen, K. van Breugel, Experimental Study of Crack Healing of Early Age Cracks. Proc. Knud Højgaard Conference on  Advanced  Cement‐Based  Materials,  Technical  University  of Denmark, June 2005. 

[6] D. Palin, VAC. Wiktor, HM.  Jonkers, Autogenous healing of marine exposed concrete: Characterization and quantification through visual crack closure. Cem Concr Res (2015) 73: 17‐24. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2015.02.021   

[7] YS.  Lee,  W.  Park,  Current  challenges  and  future  directions  for bacterial self‐healing concrete. Appl Microbiol Biotechnol (2018) 102: 3059‐3070. https://doi.org/10.1007/s00253‐018‐8830‐y   

[8] N. De  Belie, Application  of bacteria  in  concrete:  a  critical  review. RILEM Tech Lett (2016) 1: 56‐61.   https://doi.org/10.21809/rilemtechlett.2016.14   

[9] K. Vijay, M. Murmu, SV. Deo, Bacteria based self healing concrete ‐ a review. Constr Build Mater (2017) 152: 1008‐1014. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2017.07.040   

[10] G.  Souradeep,  P.  Sze  Dai,  K.  Harn Wei,  Autonomous  healing  in concrete by bio‐based healing agents ‐ a review. Constr Build Mater (2017) 146: 419‐428.   https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2017.04.111   

[11] Y. Al‐Salloum, S. Hadi, H. Abbas, T. Almusallam, MA. Moslem, Bio‐induction  and  bioremediation  of  cementitious  composites  using microbial mineral precipitation ‐ a review. Constr Build Mater (2017) 154: 857‐876. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2017.07.203   

[12] S.  Joshi,  S.  Goyal,  A. Mukherjee, M.  Sudhakara  Reddy, Microbial healing of cracks  in concrete: a  review.  J  Ind Microbiol Biotechnol (2017) 44: 1511‐1525. https://doi.org/10.1007/s10295‐017‐1978‐0   

[13] H.M.  Jonkers, A. Thijssen, G. Muyzer, O. Copuroglu, E. Schlangen, Application of bacteria as self‐healing agent for the development of sustainable concrete. Ecol Eng (2010) 36 (2): 230‐235. https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2008.12.036   

[14] R.M. Mors, H.M. Jonkers, Feasibility of lactate derivative based agent as  additive  for  concrete  for  regain  of  crack  water  tightness  by bacterial  metabolism.  Ind  Crops  Prod  (2017)  106:  97‐104. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2016.10.037   

[15] EN 934‐6:2019 Admixtures for concrete, mortar and grout. Sampling, assessment and verification of the constancy of performance. 

[16] V. Wiktor,  HM.  Jonkers,  Quantification  of  crack‐healing  in  novel bacteria‐based self‐healing concrete. Cem Concr Compos (2011) 33: 763‐770. https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2011.03.012   

[17] R. Mors, H. Jonkers, B van der Woerd. Automatic repair of concrete in wet  environment  by  inbuilt  bacteria.  Concrete,  Journal  of  the Concrete Society, United Kingdom, Volume 51, July 2017. https://doi.org/10.3390/coatings7040051   

[18] S.V. Zemskov, H.M. Jonkers, F.J. Vermolen, An analytical model for the probability characteristics of a crack hitting an encapsulated self‐healing  agent  in  concrete.  CASC,  LNCS  6244,  Gerdt  et  al.  (Eds.), Springer‐Verlag Berlin Heidelberg 2010, 280‐292. https://doi.org/10.1007/978‐3‐642‐15274‐0_25   

[19] SV. Zemskov, HM. Jonkers, FJ Vermolen, Two analytical models for the  probability  characteristics  of  a  crack  hitting  encapsulated particles:  Application  to  self‐healing materials.  Comput Mater  Sci (2011) 20: 3323‐3333.   https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2011.06.024   

[20] H.M. Jonkers, Bacteria‐based self‐healing concrete. Heron (2011) 56: 1‐12. 

[21] R.M. Mors, H.M. Jonkers, Effect on concrete surface water absorption upon addition of lactate derived agent. Coatings (2017) 7 (4): 1‐10. https://doi.org/10.3390/coatings7040051   

[22] H. Amer Ali Algaifi, S. Abu Bakar, AR. Mohd Sam, AR. Zainal Abidin, Crack‐healing  in cementitious material to  improve the durability of structures: review. MATEC Web of Conferences (2018) 250: 1‐12 https://doi.org/10.1051/matecconf/201825003005   

[23] N. De  Belie,  et  al.,  A  review  of  self‐healing  concrete  for  damage management of structures. Adv Mater Interfaces (2018) 1‐28. https://doi.org/10.1002/admi.201800074 

[24] SD. Nielsen, K. Koren, K. Lobmann, M. Hinge, A. Scoma, KU. Kjeldsen, H.  Roy,  Constraints  on  CaCO3  precipitation  in  superabsorbent polymer by aerobic bacteria. Appl Microbiol Biotechnol (2020) 104 (1): 365‐375. https://doi.org/10.1007/s00253‐019‐10215‐4   

[25] M.G. Sierra‐Beltran, H.M. Jonkers, E. Schlangen, Characterization of sustainable bio‐based mortar for concrete repair. Constr Build Mater (2014) 67: 344‐352.   https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2014.01.012   

[26] MG. Sierra‐Beltran, HM. Jonkers, Crack self‐healing technology based on bacteria. J Ceram Process Res (2015) 16 (1): 1‐7. 

[27] A. Al‐Tabbaa, C. Litina, P. Giannaros, A. Kanellopoulos, L. Souza, First UK  field  application  and  performance  of microcapsule‐based  self‐healing  concrete. Construction and Building Materials  (2019) 208: 669‐685. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2019.02.178   

[28] N‐X.  Hang,  F.  Xing,  A  comprehensive  review  of  the  study  and development  of  microcapsule  based  self‐resilience  systems  for concrete structures at the Shenzhen University. Mater (2017) 10(2):1‐25. https://doi.org/10.3390/ma10010002   

[29] M.  Sanchez,  P.  Faria,  L.  Ferrara,  E.  Horszczaruk,  HM.  Jonkers,  A. Kwiecien, J. Mosa, A. Peled, AS. Pereira, D. Snoeck, M. Stefanidou, T. Stryszewska, B. Zajac, External treatments for the preventive repair of existing constructions: A review. Constr Build Mater (2018) 193: 435‐452. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.10.173   

[30] R. Hendrickx, Using  the Karsten  tube  to estimate water  transport parameters of porous building materials. Mater Struct (2013) 46 (8): 1309‐1320. https://doi.org/10.1617/s11527‐012‐9975‐2   

[31] R.  Davies,  O.  Teall,  M.  Pilegis,  A.  Kanellopoulos,  T.  Sharma,  A. Jefferson, D. Gardner, A. Al‐Tabbaa,  K. Paine, R.  Lark,  Large  scale application of self‐healing concrete: design, construction, and testing. Front Mater (2018) 5(51): 1‐12.   https://doi.org/10.3389/fmats.2018.00051   

[32] O. Teall, R. Davies, M. Pilegis, A. Kanellopoulos, T. Sharma, K. Paine, A. Jefferson, R. Lark, D. Gardner, A. Al‐Tabbaa, Self‐healing concrete full‐scale site trials. Proc of the 11th fib International PhD Symposium in Civil Engineering, The University of Tokyo, Japan (2016) 639‐646.